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全ての慣性系で物理法則は同じ形となる理由
高速移動する物質の変化
何故、高速で移動すると、物質は動き難くなり(重くなった様に振る舞い)、また「ローレンツ収縮」するのでしょうか。それを考えるには、何故光や物質は光速を超えて進まないのかがヒントになります。光が粒子であれば、更にエネルギーを加えると、幾らでも速く動きそうです。しかし、現実にはその様なことは起こりません。それは何故でしょうか。
超ひも理論
現在の物理学では、「超ひも理論」が最も有力視されています。そして、宇宙を次の様に想定します。
宇宙開びゃくの瞬間、宇宙は非常にエネルギーの高い状態にあり、個々の「超ひも」は自由に空間を動き回っていました。しかし、宇宙のエネルギーが、100Gevになった時、「超ひも」は第三回目の相転移を起こしました。相転移とは、水蒸気が冷えて氷となる様な現象を言います。水蒸気として自由に動き回っていた水の分子は、冷えて相転移を起こし氷の分子として固定され、もはや自由には動き回ることが出来なくなります。
ここからは、オリジナルです。
ビッグバンの初期には、「超ひも」は光速を超えて自由に移動していました。しかし、宇宙のエネルギーの低下に伴い、宇宙は相転移を起こし、「超ひも」は固定され網状に繋がったと考えます。
そして、その「超ひもの網」の上を、物質や光及び重力・電磁力・強い力・弱い力の4つの力は、振動として伝わると考えます。つまり、物質が移動して見える現象は、実は超ひもの物質としての振動が、次々と隣の超ひもに伝わる現象であると思います。そして、「超ひも」の振動自体が光速で伝わるので、何ものも光速以上で伝わることは出来ないのです。
本来は物質も光と同様に、光速で「超ひもの網」上を伝わろうとします。しかし、「超ひもの網」である空間にはヒッグス場があり、物質がその中を移動すると、ヒッグス粒子が生じ物質にまとわり付き動き難さである質量を与えます。その為に、物質は光速未満でしか動くことが出来ないのです。
この様な理由により、光も物質も光速を超えて移動することが出来ないのです。つまり、物質は光速に近づく程動かし難くなるのです。物質を動かす4つの力である重力・電磁力・強い力・弱い力も、光速でケージ粒子が物質間を往復することで生じます。ですから、物質自体が高速で動くとケージ粒子が往復するのに要する時間が長くなり、動かし難くなります。
質量増加
この様に、物質は光速に近づくほど動かし難くなります。例えば、v[m/s]で移動する粒子を、進行方向に向かって上下左右方向へ動かします。その方向へ動かせる限度は√(c2-v2)[m/s]までです。この時、粒子の速度は、√{v2+(√(c2-v2))2}=c[m/s]となります。これ以上粒子が、上下左右方向へ動けば、その速度は光速を超えてしまい矛盾します。
静止時には、その方向へはc[m/s]まで動かすことが出来ました。従って、v慣性系では、静止時の√(c2-v2)[m/s]÷c[m/s]=√(1-v2/c2)倍しか動かせないことが分かります。
ローレンツ収縮
次は「ローレンツ収縮」です。v[m/s]で移動すると、物質は進行方向へ√(1-v2/c2)倍収縮します。これをローレンツ収縮と言います。電子は、原子核の周りを高速で回転し、その遠心力と原子核に引き付けられる電磁気力の釣り合う一定距離を保っています。原子が高速で移動すると、電子は回転し難くなります。その為に遠心力は弱まります。原子核の電磁気力も弱まります。しかし、縦質量増加よりも横質量増加の方が大きいので、物質の進行方向へは電子は縦方向よりゆっくり動きます。それだけ、横方向は遠心力が弱まるので、電子は原子核の電磁気力に引き付けられ、原子自体が横方向へ収縮することになります。
高速で移動する物質には、この様に動き難さとローレンツ収縮が起こります。その結果、光は往復で測定すると「不変」と観測されることになります。それを説明します。
光速度不変と特殊相対性原理
v[m/s]で並走しながら、物質同士が電磁波を交換し合うと、電磁波の往復距離は横(進行方向)1/(1-v2/c2)倍・縦(上下左右方向)1/√(1-v2/c2)倍に伸びます。
しかしv[m/s]で移動する物質は、進行方向に√(1-v2/c2)倍ローレンツ収縮します。移動する地球全体がローレンツ収縮するので、電磁波の往復距離は横√(1-v2/c2)/(1-v2/c2)2倍=1/√(1-v2/c2)倍・縦1/√(1-v2/c2)倍となります。
従って、電磁波の往復時間は、静止時に比べて、横1/√(1-v2/c2)倍・縦1/√(1-v2/c2)倍となります。
一方、v[m/s]で移動する時計は遅れ、1/√(1-v2/c2)秒間に1秒を刻む様になります。従って、v慣性系では、電磁波は静止時と同じ1秒で物質間を往復することになります。その為に、特殊相対性理論では、生じる電磁気力の強さは、静止時と同じと観測されると考えます。
これを「全ての慣性系において、物理法則は同じ形となる」と言います。
